燃煤電站用高氣速電除霧器的研制

修海明

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司 福建龍巖 364000）

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，各工業(yè)集體逐漸龐大，各種大氣污染物的排放急劇增加，環(huán)境污染和生態(tài)破壞日趨嚴(yán)重。近年來PM2.5和霧霾天氣引發(fā)了公眾的高度關(guān)注。伴隨人們對(duì)大氣污染物認(rèn)識(shí)的不斷加深，及國(guó)家節(jié)能減排政策的出臺(tái)，新頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）已于2012年1月1日起正式實(shí)施。這就對(duì)除塵設(shè)備的性能和可靠性提出了更嚴(yán)格的要求。近日，國(guó)家三部委又發(fā)出(2014)2093號(hào)文件，要求燃煤電站煙氣污染物排放達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組水平（即NOX：≤50mg/Nm3、SO2：≤35mg/Nm3、煙塵：≤10mg/Nm3），部分地方政府及發(fā)電企業(yè)甚至主動(dòng)要求煙塵排放≤5mg/Nm3，這就使得僅有傳統(tǒng)的干式除塵器幾乎難以滿足排放要求。

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)仍然以煤為主，并在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變，這就決定了燃煤機(jī)組仍是我國(guó)電力行業(yè)的主要發(fā)電裝置，因此作為我國(guó)大氣污染主要來源之一的燃煤電站成為國(guó)家環(huán)境治理的重中之重。燃煤電廠目前普遍應(yīng)用的污染物控制技術(shù)干式除塵器對(duì)于SO3、氣溶膠、微細(xì)顆粒物、重金屬等的排放控制能力有限，而且目前已經(jīng)投運(yùn)機(jī)組脫硫吸收塔后煙氣中攜帶有大量的石膏液滴，易出現(xiàn)“石膏雨”現(xiàn)象。濕式電除霧器擁有捕集煙氣中霧滴和微小塵粒的功能，尤其是對(duì)微細(xì)、粘性、高比電阻粉塵和氣溶膠及細(xì)小的金屬顆粒、二惡英等有顯著的捕集效果，在國(guó)內(nèi)的化工、冶金、建材等行業(yè)有著多年成功應(yīng)用的業(yè)績(jī)，據(jù)報(bào)道在國(guó)外的燃煤電廠中也有近30年的應(yīng)用歷史，但機(jī)組煙氣量較小，設(shè)計(jì)的氣速較低。而我國(guó)隨著“上大壓小”政策出臺(tái)，燃煤機(jī)組朝大型化不斷發(fā)展，煙氣量越來越大，傳統(tǒng)的低氣速濕式電除霧無法處理大煙氣量，因此開發(fā)適用于燃煤電廠的高氣速靜電除霧器迫在眉睫[1]。

2 濕式電除霧器的工作原理

濕式電除霧器是高效的煙氣凈化設(shè)備，能捕集煙氣中微米及亞微米級(jí)微粒，確保霧滴、粉塵達(dá)標(biāo)排放。其工作原理與干式靜電除塵器類似，只是將沉淀極（陽極）板改為玻璃鋼管束結(jié)構(gòu)，每個(gè)玻璃鋼管中心對(duì)應(yīng)一根陰極電暈線。工作過程大致分為四個(gè)階段：a）氣體被電離；b）霧滴及粉塵荷電；c）荷電粉塵向相反電極移動(dòng)；d）收塵極上的霧滴粉塵被噴淋水清除。工作時(shí)，通過靜電控制裝置和高壓整流裝置，將交流電變成直流電送至電除霧器的電暈極線，從而在電暈線（陰極）和玻璃鋼管（陽極）之間形成強(qiáng)大的不均勻電場(chǎng)，使得空氣分子被電離，瞬間產(chǎn)生大量的電子和正、負(fù)離子，這些電子及離子在電場(chǎng)力的作用下作定向運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成捕集粉塵及霧滴的媒介。當(dāng)含霧滴和粉塵的煙氣進(jìn)入電場(chǎng)后，由于離子的碰撞和擴(kuò)散，霧滴和粉塵荷電在電場(chǎng)力的作用下，作定向運(yùn)動(dòng)，抵達(dá)電荷相反的電極上，此時(shí)荷電粒子釋放出自己所帶的電荷，大部分霧滴和粉塵在重力作用下流到除霧器下部的集液槽中，小部分霧滴和粉塵殘留在收塵極表面。當(dāng)積累到一定程度時(shí)，開啟系統(tǒng)中的噴淋裝置對(duì)電極進(jìn)行噴水清灰，殘余粉塵順流而下到集液槽，這樣就達(dá)到了捕集霧滴及細(xì)微粉塵的目的。

與傳統(tǒng)干式靜電除塵器相比，靜電除霧器中由于有水的存在，水中的多種雜質(zhì)離子在電場(chǎng)作用下容易形成發(fā)射離子，這樣就增強(qiáng)了電極的放電效果；再者，水的電阻較小，水滴與粉塵結(jié)合后，使得高比電阻粉塵的比電阻下降，濕式電除霧器的工作狀態(tài)會(huì)更加穩(wěn)定，能夠收集靜電除塵器不能收集的黏性、高比電阻的粉塵；最后，濕式電除霧器中采用水流噴淋沖洗，無需設(shè)置振打機(jī)構(gòu)，所以不存在二次揚(yáng)塵的問題。

3 高氣速電除霧器的研制

我國(guó)從上世紀(jì)六十年代就開始電除霧器的研究，在化工、冶金領(lǐng)域已經(jīng)有多年的使用經(jīng)驗(yàn)，但其處理的煙氣量相對(duì)較少，氣速一般在1m/s左右。而燃煤電廠煙氣量大、煙氣工況復(fù)雜、富含多種雜質(zhì)及微量重金屬的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的電除霧器不適用于燃煤電廠，因此研制適合燃煤電廠的高氣速、高效的電除霧器是目前最需要解決的問題。

高氣速電除霧器主要在原電除霧器的基礎(chǔ)上，根據(jù)燃煤煙氣的特點(diǎn)，對(duì)部分結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。以某公司研制的350MW機(jī)組電除霧器為例，其基本結(jié)構(gòu)包括殼體、電暈線、玻璃鋼制沉淀極、陰極懸吊裝置、絕緣箱和陰極框架等，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 高氣速電除霧器結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知：每個(gè)玻璃鋼沉淀極（陽極）中心都設(shè)置有一根電暈線（陰極），上方固定在上部陰極框架上，下方用重錘拉緊，每個(gè)重錘被限制在下部陰極防擺框架內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)在燃煤電廠大煙氣量、高氣速的條件下限制了電暈線的擺動(dòng)，從而保證了除霧器的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。高氣速電除霧器需要保證的主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 高氣速電除霧器主要性能參數(shù)

為了保證除霧器的性能，其核心部件如導(dǎo)電玻璃鋼管、電暈線等的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，導(dǎo)電玻璃鋼管必須有良好的導(dǎo)電性、耐蝕性和阻燃性，電暈線具備優(yōu)異的放電性能等。因此，高氣速電除霧器主要從以下幾個(gè)方面開展研究：

3.1 陽極導(dǎo)電玻璃鋼管的研制

靜電電除霧器沉淀極的形狀一般為管狀，按沉淀極材質(zhì)分，除霧器經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，分別是：鉛靜電除霧器、塑料靜電除霧器和玻璃鋼靜電除霧器。

20世紀(jì)80年代之前，鉛靜電除霧器憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性和耐腐蝕性得到了廣泛的應(yīng)用。但經(jīng)過多個(gè)工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉛靜電除霧器也有其缺點(diǎn)，鉛的價(jià)格昂貴且易發(fā)生鉛中毒，鉛的質(zhì)地較軟，在電場(chǎng)內(nèi)為了避免閃絡(luò)損壞鉛管，需把電壓降低到無火花操作的程度，使得除霧效率提高困難。

20世紀(jì)80年代開始，隨著塑料制品的興起，在業(yè)內(nèi)興起了一股用硬聚氯乙烯（PVC）管替代鉛管作為沉淀極的潮流。塑料的優(yōu)點(diǎn)在于其價(jià)格比鉛要低得多，且閃絡(luò)一般不會(huì)破壞塑料表面，因此能在較高電壓下運(yùn)行，從而得到更高的除霧效率。隨著時(shí)間的推移，塑料制靜電除霧器的局限性也日漸凸顯，塑料易老化、使用壽命短，且塑料本身是不能導(dǎo)電的，僅靠管內(nèi)壁形成的液膜來導(dǎo)電，而塑料表面的疏水性使得水很難在其表面形成連續(xù)的液膜，因此很難維持穩(wěn)定的伏-安特性，電壓時(shí)高時(shí)低使得除霧器運(yùn)行不穩(wěn)定。

圖2 導(dǎo)電玻璃鋼陽極管結(jié)構(gòu)圖

20世紀(jì)90年代初，鑒于鉛靜電除霧器和塑料靜電除霧器存在的不足，在汲取國(guó)外設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)開始研制自己的導(dǎo)電玻璃鋼電除霧器，并在制酸系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。導(dǎo)電玻璃鋼管一般做成正六邊形，也稱蜂窩形，內(nèi)切圓直徑在250mm~400mm，長(zhǎng)度一般為4m~6m，如圖2所示，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、充分利用內(nèi)/外表面、節(jié)約材料以及占地面積小的優(yōu)點(diǎn)[2]。

導(dǎo)電玻璃鋼管一般分成三層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)腔到外表面依次為：阻燃導(dǎo)電的樹脂層，中堿玻璃纖維布層，纏繞紗樹脂層。這種結(jié)構(gòu)的玻璃鋼具有導(dǎo)電性強(qiáng)、阻燃性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，性能參數(shù)詳見表2。

表2 導(dǎo)電玻璃鋼物理性能

3.2 陰極電暈線的研制

燃煤電廠的煙氣量巨大，這就決定了應(yīng)用于燃煤電廠的電除霧器的設(shè)計(jì)煙氣流速較大。從理論上講，當(dāng)氣速為1m/s~1.2m/s時(shí)，電暈極線的比電流在0.15mA/m~0.2mA/m就基本能滿足使用要求，當(dāng)氣速加快，煙氣在電場(chǎng)中的停留時(shí)間變短時(shí)，要保證同樣的除霧效率就必須加大電暈極線的比電流。比電流與電暈極線的形式有很大的關(guān)系，因此，電場(chǎng)氣速提高時(shí)可以通過更改電暈極線的形式來滿足要求。

業(yè)內(nèi)普遍選用的電暈極線大都為盲刺形電暈極線，眾多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：盲刺線的比電流要比最初使用的六角鉛導(dǎo)線的比電流大很多，其放電能力強(qiáng)，具有優(yōu)異的抗粘附和抗電暈閉塞能力，允許采用更高的氣速，因此大大減小了電除霧器的占地面積。

3.3 陰極框架的研制

另一個(gè)影響煙氣流速的因素則是電暈極線的固定方式，傳統(tǒng)電除霧器的陰極線上端固定在陰極上部框架的小梁上，下端僅靠重錘張緊固定，當(dāng)氣速較大時(shí)，極線容易晃動(dòng)，從而引起運(yùn)行電壓電流不穩(wěn)定。為了避免高氣速對(duì)電暈線的影響，在電暈極線下部設(shè)置一個(gè)防擺框架（如圖3），下部防擺框架架設(shè)在陰極下部大梁上，下部大梁再通過連接桿與上部陰極框架實(shí)現(xiàn)剛性連接，從而上、下陰極框架連成一個(gè)整體，再將整體框架固定在電除霧器側(cè)部絕緣箱內(nèi)，通過頂部絕緣箱與側(cè)部絕緣箱的配合固定，使得整個(gè)陰極框架被牢牢固定在殼體內(nèi)。運(yùn)行時(shí)，每根陰極線通過下部重錘被限定在防擺框架的方格內(nèi)，這樣就可以確保電暈線在較高的氣速下保持穩(wěn)定，保證電流和電壓在合理的范圍內(nèi)，除霧器運(yùn)行起來穩(wěn)定可靠，除霧效率也能得到保證。

圖3 防擺框架結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

隨著人們生活水平不斷提高，對(duì)美好生活環(huán)境的渴望也越來越強(qiáng)，國(guó)家對(duì)煙塵的排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)，甚至提出了超低排放要求（503510）。干式除塵器對(duì)微細(xì)粉塵的脫除能力有限，隨著WFGD運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，部分酸性霧滴會(huì)被煙氣攜帶而出，造成尾部煙道及煙囪的腐蝕，很多燃煤電廠已經(jīng)面臨排放超標(biāo)的壓力。傳統(tǒng)的除塵工藝路線已不能滿足新時(shí)代的要求，因此研制適合燃煤電廠大氣量、高氣速的電除霧器，對(duì)滿足現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)具有重大意義。本文所述技術(shù)已經(jīng)在東莞市泰昌紙業(yè)130t/h+65t/h循環(huán)流化床鍋爐煙氣治理系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)煙塵排放＜2.8mg/Nm3，運(yùn)行效果良好，為燃煤電廠大煙氣量處理使用電除霧器提供了工程示范，促進(jìn)了燃煤煙塵治理技術(shù)進(jìn)步。

[1]林祖涵.靜電除霧技術(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用 [J].華電技術(shù)，2011，33（1）：65-68.

[2]張?jiān)獞c.高效電除霧器的研制和應(yīng)用[J].硫酸工業(yè)，2006（1）：14-17.